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Guidance in the hybrid cardiovascular procedure for ventricular septal defect closure

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Tibamoso Pedraza, Gerardo (2022). Guidance in the hybrid cardiovascular procedure for ventricular septal defect closure. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ventricular septal defects (VSDs) are holes between ventricular cavities that disturb the normal blood oxygenation process. VSDs are common congenital heart malformations that usually close by themselves; however, large VSDs require surgical treatment. A hybrid procedure aims to implant occluders to close VSDs during beating heart, being less invasive than the most common open heart surgery. The procedure is monitored with transesopageal echocardiography (TEE). TEE supplies images at high frame rates in real time; nevertheless, TEE provides a limited field of view that hinders maneuvering of surgical instruments inside the heart. Therefore, high experience is required to interpret the TEE images and to maneuver the surgical instruments. However, medical simulators for training in the hybrid procedure are limited; hence, practicing directly on patients could remain as the only alternative.

The main goal of this thesis was to provide solutions to the problem of navigation guidance in the hybrid procedure to close VSDs. Those solutions are our three contributions that include: first, a method to design heart phantoms with VSDs for ultrasound imaging; second, a navigation guidance method to access VSDs for occluders implantation; and third, a cardiac motion tracking in ultrasound images of the heart with VSDs.

Our first contribution tackled the problem of a lack of heart models for experimentation. To solve this problem, we developed a method to built heart phantoms with VSDs for palpation, puncture, and ultrasound image acquisition. We relied on diagnostic images from retrospective cases to accurately represent the cardiac anatomy of pediatric patients with VSDs. We made heart phantoms in two materials: silicone and polyvinyl alcohol cryogel (PVA-C); we found that PVA-C had the best echogenicity, which was important for VSD characterization in echocardiography. We believe that this contribution provides additional tools to master the exploration of VSDs for the hybrid procedure.

Our second contribution tackled the problem of the limited field of view of TEE for guidance in the hybrid procedure. For the procedure’s guidance, we introduced a three-dimensional (3-D) virtual model of the patient’s heart and an electromagnetic measurement system (EMS) to track the surgical instruments. We validated a landmark registration method including heart phantoms, virtual heart models and the EMS in an experimental setup that we developed to simulate the hybrid procedure. A group of cardiologists performed the hybrid procedure on the heart phantoms, maneuvering the surgical instruments following the information provided by the virtual hearts. We found that the virtual heart models provided accurate information for guidance to access VSDs. We believe that this contribution is a successful proof of concept of a system that could provide guidance in a hybrid procedure, complementing TEE, to safely access VSDs.

Up to this point, we provide guidance information in a static heart. In a real case, however, the heart beats. Therefore, our third contribution tackled the problem to track the heart motion in ultrasound images with the potential application to synchronize the guidance information (second contribution) with the cardiac cycle. We proposed a method based on particle filtering to predict the heart motion considering geometric parameters and intensity values of the ventricular cavities in TEE images. We found that the method was robust to blurry boundaries and missing information. We believe that automation of the heart tracking can potentially facilitate guidance in the hybrid procedure.

Titre traduit

Guidage dans la procédure cardiovasculaire hybride pour la fermeture de la cloison ventriculaire

Résumé traduit

Les communications interventriculaires (CIV) sont des trous entre les cavités ventriculaires qui perturbent le processus normal d’oxygénation du sang. Les CIV sont des malformations cardiaques congénitales courantes qui se referment généralement d’elles-mêmes; toutefois, les communications interventriculaires de grande taille nécessitent un traitement chirurgical. Une procédure hybride vise à implanter des occludeurs pour fermer les CIV à coeur battant, étant moins invasive que la chirurgie à coeur ouvert la plus courante. La procédure est surveillée par échocardiographie transoesopagienne (ETO). L’ETO fournit des images en temps réel à des fréquences d’images élevées; néanmoins, l’ETO offre un champ de vision limité qui entrave la manoeuvre des instruments chirurgicaux à l’intérieur du coeur. Par conséquent, une grande expérience est nécessaire pour interpréter les images de l’ETO et pour manoeuvrer les instruments chirurgicaux. Cependant, les simulateurs médicaux pour la formation à la procédure hybride sont limités; par conséquent, la pratique directement sur les patients pourrait rester la seule alternative.

L’objectif principal de cette thèse était de fournir des solutions au problème d’assistance à la navigation pour la procédure hybride de fermeture des CIV. Cet objectif est développé au travers de trois contributions: premièrement, une méthode pour concevoir des fantômes cardiaques avec des CIV pour l’imagerie échographique; deuxièmement, une méthode de guidage de navigation pour accéder aux CIV pour l’implantation d’occludeurs; et troisièmement, un suivi du mouvement cardiaque dans les images échographiques du coeur avec CIV.

Notre première contribution s’est attaquée au problème du manque de modèles cardiaques pour l’expérimentation. Pour résoudre ce problème, nous avons développé une méthode permettant de construire des fantômes cardiaques avec des CIV pour la palpation, la ponction et l’acquisition d’images ultrasonores. Nous nous sommes appuyés sur des images provenant de cas rétrospectifs pour représenter avec précision l’anatomie cardiaque de patients pédiatriques présentant des CIV. Nous avons fabriqué des fantômes cardiaques dans deux matériaux: le silicone et le cryogel d’alcool polyvinylique (PVA-C); nous avons constaté que le PVA-C avait la meilleure échogénicité, ce qui était important pour la caractérisation des CIV en échocardiographie. Nous pensons que cette contribution fournit des outils supplémentaires pour maîtriser l’exploration des CIV pour la procédure hybride.

Notre deuxième contribution s’est attaquée au problème du champ de vision limité de l’ETO pour le guidage dans la procédure hybride. Pour le guidage de la procédure, nous avons introduit un modèle virtuel tridimensionnel (3-D) du coeur du patient et un système de mesure électromagnétique (EMS) pour suivre les instruments chirurgicaux. Nous avons validé une méthode d’enregistrement des points de repère comprenant des fantômes cardiaques, des modèles cardiaques virtuels et l’EMS dans un dispositif expérimental que nous avons développé pour simuler la procédure hybride. Un groupe de cardiologues a effectué la procédure hybride sur les fantômes cardiaques, en manoeuvrant les instruments chirurgicaux selon les informations fournies par les coeurs virtuels. Nous avons constaté que les modèles de coeurs virtuels fournissaient des informations précises pour guider l’accès aux CIV. Nous pensons que cette contribution est une preuve de concept réussie d’un système qui pourrait fournir un guidage dans une procédure hybride, en complément de l’ETO, pour accéder en toute sécurité aux CIV.

Jusqu’à présent, nous fournissons des informations de guidage dans un coeur statique. Dans un cas réel, cependant, le coeur bat. Par conséquent, notre troisième contribution s’est attaquée au problème du suivi du mouvement du coeur dans les images ultrasonores, avec une application potentielle pour synchroniser les informations de guidage (deuxième contribution) avec le cycle cardiaque. Nous avons proposé une méthode basée sur une filtre de particules pour prédire le mouvement du coeur en tenant compte des paramètres géométriques et des valeurs d’intensité des cavités ventriculaires dans les images ETO. Nous avons constaté que la méthode était robuste aux frontières floues et aux informations manquantes. Nous pensons que l’automatisation du suivi du coeur est nécessaire dans la salle d’opération pour faciliter et estimer avec précision les informations de guidage dans la procédure hybride.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 67-71).
Mots-clés libres: les communications interventriculaires, échocardiographie, procédure hybride de fermeture des communications interventriculaires, fantômes cardiaques, système de mesure électromagnétique, guidage de navigation, simulation, cardiologie, cardiopathie congénitale, filtrage de particules, suivi du mouvement, imagerie diagnostique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Duong, Luc
Codirecteur:
Codirecteur
Ratté, Sylvie
Miró, Joaquim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 mai 2022 18:52
Dernière modification: 20 mai 2022 18:52
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2985

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